【开发宝典】Java并发系列教程（四）

作者：京东零售 刘跃明

Monitor概念

Java对象的内存布局

对象除了我们自定义的一些属性外，还有其它数据，在内存中可以分为三个区域：对象头、实例数据、对齐填充，这三个区域组成起来才是一个完整的对象。

对象头：在JVM中需要大量存储对象，存储时为了实现一些额外的功能，需要在对象中添加一些标记字段用于增强对象功能，这些标记字段组成了对象头。

实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息。

对齐填充：由于虚拟机要求对象其实地址必须是8字节的整数倍，需要存在填充区域以满足8字节的整数倍，填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。

图1

Java对象头

JVM中对象头的方式有以下两种（以32位虚拟机为例）：

普通对象

数组对象

Mark Word

这部分主要用来存储对象自身的运行数据，如hashcode、gc分带年龄等，Mark Word的位长度为JVM的一个Word大小，也就是说32位JVM的Mark Word为32位，64位JVM为64位。为了让一个字大小存储更多的信息，JVM将字的最低两个位设置为标记位，不同标记位下的Mark Word示意如下：

其中各部分的含义如下：

lock： 2位的锁状态标记位，该标记的值不同，整个Mark Word表示的含义不同。

biased_lock： 对象是否启用偏向锁标记，只占1个二进制位，为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁。

age： 4位的Java对象年龄，在GC中，如果对象再Survivor区复制一次，年龄增加1，当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代，默认情况下，并行GC的年龄阈值为15，并发GC的年龄阈值为6，由于age只有4位，所以最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。

identity_hashcode： 25位的对象表示Hash码，采用延迟加载技术，调用方法System.idenHashcode()计算，并会将结果写到该对象头中，当对象被锁定时，该值会移动到管程Monitor中。

thread： 持有偏向锁的线程ID。

epoch： 偏向时间戳。

ptr_to_lock_record： 指向栈中锁记录的指针。

ptr_to_heavyweight_monitor： 指向管程Monitor的指针。

Klass Word

这一部分用于存储对象的类型指针，该指针指向它的类元数据，JVM通过这个指针确定对象是哪个类的实例，该指针的位长度为JVM的一个字大小，即32位的JVM为32位，64位的JVM为64位。

array length

如果对象是一个数组，那么对象头还需要有额外的空间用于存储数组的长度，这部分数据的长度也随着JVM架构的不同而不同：32位的JVM长度为32位，64位JVM则为64位。

Monitor原理

Monitor被翻译为监视器或管程

每个Java对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用synchronized给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word中就被设置指向Monitor对象的指针。

Monitor结构如下：

图2

•刚开始Monitor中Owner为null

•当Thread-2执行synchronized(obj)就会将Monitor的所有者Owner置为Thread-2，Monitor中只能有一个Owner

•在Thread-2上锁的过程中，如果Thread-3、Thread-4、Thread-5也来执行synchronized(obj)，就会进入EntryList BLOCKED

•Thread-2执行完同步代码块的内容，然后唤醒EntryList中等待的线程来竞争锁，竞争是非公平的，也就是先进并非先获取锁

•图2中WaitSet中的Thread-0、Thread-1是之前获得过锁，但条件不满足进入WAITING状态的线程，后面讲wait-notify时会分析

注意：

•synchronized必须是进入同一个对象的Monitor才有上述的效果

•不加synchronized的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

synchronized原理

static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;

public static void main(String[] args) {
    synchronized (lock) {
        counter++;
    }
}

对应的字节码为：

public static main([Ljava/lang/String;)V

TRYCATCHBLOCK L0 L1 L2 null

TRYCATCHBLOCK L2 L3 L2 null

L4

LINENUMBER 6 L4

GETSTATIC MyClass03.lock : Ljava/lang/Object;

DUP

ASTORE 1

MONITORENTER //注释1

L0

LINENUMBER 7 L0

GETSTATIC MyClass03.counter : I

ICONST_1

IADD

PUTSTATIC MyClass03.counter : I

L5

LINENUMBER 8 L5

ALOAD 1

MONITOREXIT //注释2

L1

GOTO L6

L2

FRAME FULL [[Ljava/lang/String; java/lang/Object] [java/lang/Throwable]

ASTORE 2

ALOAD 1

MONITOREXIT //注释3

L3

ALOAD 2

ATHROW

L6

LINENUMBER 9 L6

FRAME CHOP 1

RETURN

L7

LOCALVARIABLE args [Ljava/lang/String; L4 L7 0

MAXSTACK = 2

MAXLOCALS = 3

注释1

MONITORENTER的意思为：每个对象都有一个监视锁（Monitor），当Monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行MONITORENTER指令时尝试获取Monitor的所有权，过程如下：

•如果Monitor的进入数为0，则该线程进入Monitor，并将进入数设置为1，该线程即为Monitor的所有者（Owner）

•如果该线程已经占用Monitor，只是重新进入Monitor，则进入Monitor的进入数加1

•如果其它线程已经占用Monitor，则该线程进入阻塞状态，直到Monitor进入数为0，再重新尝试获取Monitor的所有权

注释2

MONITOREXIT的意思为：执行指令时，Monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，该线程退出Monitor，不再是这个Monitor的所有者，其它被Monitor阻塞的线程重新尝试获取Monitor的所有权。

总结

通过注释1和注释2可知，synchronized的实现原理，底层是通过Monitor的对象来完成，其实wait和notify等方法也依赖Monitor，这就是为什么wait和notify方法必须要在同步方法内调用，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的原因。

如果程序正常执行则按上述描述即可完成，如果程序在同步方法内发生异常，代码则会走注释3，在注释3可以看到MONITOREXIT指令，也就是synchronized已经处理异常情况下的退出。

注：方法级别的synchronized不会在字节码指令中有所体现，而是在常量池中增加了ACC_SYNCHRONIZED标识符，JVM就是通过该标识符来实现同步的，方法调用时，JVM会判断方法的ACC_SYNCHRONIZED是否被设置，如果被设置，线程执行方法前会先获取Monitor所有权，执行完方法后再释放Monitor所有权，本质是一样的。

synchronized原理进阶

轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是synchronized

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static final Object obj = new Object();

public static void method1() {
    synchronized (obj) { // 同步块 A
        method2();
    }
}

public static void method2() {
    synchronized (obj) { // 同步块 B
    }
}

创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word

图3

让锁记录中Object reference指向锁对象，并尝试用cas替换Object的Mark Word，将Mark Word的值存入锁记录

图4

如果cas替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态00，表示由该线程给对象加锁，这是图示如下

图5

如果cas失败，有两种情况

•如果是其它线程已经持有了该Object的轻量级锁，这是表明有竞争，进入锁膨胀过程

•如果是自己线程执行了synchronized锁重入，那么再添加一条Lock Record作为重入的技术

图6

当退出synchronized代码块（解锁时），如果有取值为null的锁记录，表示由重入，这是重置锁记录，表示重入技术减一

图7

当退出synchronized代码块（解锁时），锁记录的值不为null，这时使用cas将Mark Word的值回复给对象头

•成功，则解锁成功

•失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS操作无法成功，这是一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这是需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

当Thread-1进行轻量级加锁时，Thread-0已经对该对象加了轻量级锁

图8

这是Thread-1加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程

•即为Object对象申请Monitor锁，让Object指向重量级锁地址

•然后自己进入Monitor的EntryList BLOCKED

图9

当Thread-0退出同步块解锁时，使用cas将Mark Word的值恢复给对象头，失败，这是会进入重量级解锁流程，即按照Monitor地址找到Monitor对象，设置Owner为null，唤醒EntryList 中BLOCKED线程

自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步，释放了锁），这是当前线程就可以避免阻塞。

自旋重试成功的情况

自旋重试失败的情况

•自旋会占用CPU时间，单核CPU自旋就是浪费，多核CPU自旋才能发挥优势。

•在Java 6之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。

•Java 7之后不能控制是否开启自旋功能。

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行CAS操作。

Java 6中引入了偏向锁做进一步优化：只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头，之后发现这个线程ID是自己的就表示没有竞争，不用重新CAS，以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。

注：

Java 15之后废弃偏向锁，默认是关闭，如果想使用偏向锁，配置-XX:+UseBiasedLocking启动参数。

启动偏向锁之后，偏向锁有一个延迟生效的机制，这是因为JVM启动时会进行一系列的复杂活动，比如装载配置，系统类初始化等等。在这个过程中会使用大量synchronized关键字对对象加锁，且这些锁大多数都不是偏向锁。为了减少初始化时间，JVM默认延时加载偏向锁。这个延时的时间大概为4s左右，具体时间因机器而异。当然我们也可以设置JVM参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来取消延时加载偏向锁。

例如：

static final Object obj = new Object();

public static void m1() {
    synchronized (obj) { // 同步块 A
        m2();
    }
}

public static void m2() {
    synchronized (obj) { // 同步块 B
        m3();
    }
}

public static void m3() {
    synchronized (obj) {
    }
}

如果关闭偏向锁，使用轻量锁情况：

图10

开启偏向锁，使用偏向锁情况：

图11

偏向状态

回忆一下对象头格式

一个对象创建时：

•如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，Mark Word值为0x05,也就是最后是3位为101，这是它的thread、epoch、age都为0

•如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，Mark Word值为0x01，也就是最后3位为001，这时它的hashcode、age都为0，第一次用到hashcode时才会赋值

我们来验证下，使用jol第三方工具，以及对工具打印对象头做了一个处理，让对象头开起来更简便：

测试代码

public synchronized static void main(String[] args){
    log.info("{}", toSimplePrintable(object));
}

开启偏向锁的情况下

打印的数据如下（由于Java15之后偏向锁废弃，因此打开偏向锁打印会警告）

17:15:17 [main] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101

最后为101，其他都为0，验证了上述第一条。

可能你又要问了，我这也没使用synchronized关键字呀，那不也应该是无锁么？怎么会是偏向锁呢？

仔细看一下偏向锁的组成，对照输出结果红色划线位置，你会发现占用 thread 和 epoch 的 位置的均为0，说明当前偏向锁并没有偏向任何线程。此时这个偏向锁正处于可偏向状态，准备好进行偏向了！你也可以理解为此时的偏向锁是一个特殊状态的无锁。

关闭偏向锁的情况下

打印的数据如下

17:18:32 [main] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

最后为001，其它都是0，验证了上述第二条。

接下来验证加锁的情况，代码如下：

private static Object object = new Object();
public synchronized static void main(String[] args){
    new Thread(()->{
        log.info("{}", "synchronized前");
        log.info("{}", toSimplePrintable(object));
        synchronized (object){
            log.info("{}", "synchronized中");
            log.info("{}", toSimplePrintable(object));
        }
        log.info("{}", "synchronized后");
        log.info("{}", toSimplePrintable(object));
    },"t1").start();
}

开启偏向锁的情况，打印数据如下

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - synchronized前

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - synchronized中

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 00001110 00000111 01001000 00000101

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - synchronized后

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 00001110 00000111 01001000 00000101

使用了偏向锁，并记录了线程的值（101前面的一串数字），但是处于偏向锁的对象解锁后，线程id仍存储于对象头中。

关闭偏向锁的情况，打印数据如下

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - synchronized前

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - synchronized中

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 01110000 00100100 10101001 01100000

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - synchronized后

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

使用轻量锁（最后为000），并且记录了占中存储的锁信息地址（000前面一串数字），同步块结束后恢复到原先状态（因为没有使用hashcode，所以hashcode值为0）。

偏向锁撤销

在真正讲解偏向撤销之前，需要和大家明确一个概念——偏向锁撤销和偏向锁释放是两码事。

•撤销：笼统的说就是多个线程竞争导致不能再使用偏向模式的时候，主要是告知这个锁对象不能再用偏向模式

•释放：和你的常规理解一样，对应的就是 synchronized 方法的退出或 synchronized 块的结束

何为偏向撤销？

从偏向状态撤回原有的状态，也就是将 MarkWord 的第 3 位（是否偏向撤销）的值，从 1 变回 0

如果只是一个线程获取锁，再加上「偏心」的机制，是没有理由撤销偏向的，所以偏向的撤销只能发生在有竞争的情况下

撤销-hashcode调用

调用了对象的hashcode会导致偏向锁被撤销：

•轻量级锁会在锁记录中记录hashcode

•重量级锁会在Monitor中记录hashcode

测试代码如下

private static Object object = new Object();
public synchronized static void main(String[] args){
    object.hashCode();//调用hashcode
    new Thread(()->{
        log.info("{}", "synchronized前");
        log.info("{}", toSimplePrintable(object));
        synchronized (object){
            log.info("{}", "synchronized中");
            log.info("{}", toSimplePrintable(object));
        }
        log.info("{}", "synchronized后");
        log.info("{}", toSimplePrintable(object));
    },"t1").start();
}

打印如下：

17:36:05 [t1] c.MyClass03 - synchronized前

17:36:06 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 01011111 00100001 00001000 10110101 00000001

17:36:06 [t1] c.MyClass03 - synchronized中

17:36:06 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 01101110 00010011 11101001 01100000

17:36:06 [t1] c.MyClass03 - synchronized后

17:36:06 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 01011111 00100001 00001000 10110101 00000001

撤销-其它线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁。

测试代码如下

private static void test2() {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        synchronized (object) {
            log.info("{}", toSimplePrintable(object));
        }
        synchronized (MyClass03.class) {
            MyClass03.class.notify();//t1执行完之后才通知t2执行
        }
    }, "t1");
    t1.start();
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        synchronized (MyClass03.class) {
            try {
                MyClass03.class.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        log.info("{}", toSimplePrintable(object));
        synchronized (object) {
            log.info("{}", toSimplePrintable(object));
        }
        log.info("{}", toSimplePrintable(object));
    }, "t2");
    t2.start();
}

打印数据如下

17:51:38 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 01000111 00000000 11101000 00000101

17:51:38 [t2] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 01000111 00000000 11101000 00000101

17:51:38 [t2] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 01111000 00100000 01101001 01010000

17:51:38 [t2] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

可以看到线程t1是使用偏向锁，线程t2使用锁之前是一样的，但是一旦使用了锁，便升级为轻量级锁，执行完同步代码之后，恢复成撤销偏向锁的状态。

撤销-调用wait/notify

代码如下

private static void test3(){
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.info("{}", toSimplePrintable(object));
        synchronized (object) {
            log.info("{}", toSimplePrintable(object));
            try {
                object.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("{}", toSimplePrintable(object));
        }
    }, "t1");
    t1.start();
    new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(6000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        synchronized (object) {
            log.debug("notify");
            object.notify();
        }
    }, "t2").start();
}

打印数据如下

17:57:57 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101

17:57:57 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 00001111 00001100 11010000 00000101

17:58:02 [t2] c.MyClass03 - notify

17:58:02 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 01100000 00000000 00000011 11000001 10000010 01110010

调用wait和notify得是用Monitor，所以会从偏向锁升级为重量级锁。

批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这是偏向了线程t1的对象仍然有机会重新偏向t2，重偏向会重置对象的Thread ID。

当撤销偏向锁阈值超过20次后，JVM会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程。

代码如下

public static class Dog{}

private static void test4() {
    Vector<Dog> list = new Vector<>();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            Dog d = new Dog();
            list.add(d);
            synchronized (d) {
                log.info("{}", i+"\t"+toSimplePrintable(d));
            }
        }
        synchronized (list) {
            list.notify();
        }
    }, "t1");
    t1.start();
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        synchronized (list) {
            try {
                list.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        log.debug("===============> ");
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            Dog d = list.get(i);
            log.info("{}", i+"\t"+toSimplePrintable(d));
            synchronized (d) {
                log.info("{}", i+"\t"+toSimplePrintable(d));
            }
            log.info("{}", i+"\t"+toSimplePrintable(d));
        }
    }, "t2");
    t2.start();
}

打印如下

图12

另外我在测试的是否发现一个线程，当对象是普通类（如Dog）时，重偏向的阈值就是20，也就是第21次开启了偏向锁，但是如果把普通类替换成Object时，重偏向的阈值就是9，也就是第10次开启了偏向锁并重偏向（如图13），这是怎么回事儿，有了解的同学可以评论交流下。

图13

批量撤销

当撤销偏向锁阈值超过40次后，JVM会这样觉得，自己确实偏向错了，根本不该偏向，于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的。

代码如下

static Thread t1, t2, t3;

private static void test6() throws InterruptedException {
    Vector<Dog> list = new Vector<>();
    int loopNumber = 40;
    t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            Dog d = new Dog();
            list.add(d);
            synchronized (d) {
                log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));
            }
        }
        LockSupport.unpark(t2);
    }, "t1");
    t1.start();
    t2 = new Thread(() -> {
        LockSupport.park();
        log.debug("===============> ");
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            Dog d = list.get(i);
            log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));
            synchronized (d) {
                log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));
            }
            log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));
        }
        LockSupport.unpark(t3);
    }, "t2");
    t2.start();
    t3 = new Thread(() -> {
        LockSupport.park();
        log.debug("===============> ");
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            Dog d = list.get(i);
            log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));
            synchronized (d) {
                log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));
            }
            log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));
        }
    }, "t3");
    t3.start();
    t3.join();
    log.info("{}", toSimplePrintable(new Dog()));
}

打印如下

图14